0 引言

    工藝的發(fā)展允許芯片在更小的面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的性能。同時(shí)，隨著時(shí)鐘頻率和時(shí)序要求的提高，設(shè)計(jì)對(duì)各種噪聲源和IR-Drop帶來的電源完整性問題越來越敏感^[1]。精確的電源分析需要測(cè)試全面的工作狀態(tài)，但是，過高的仿真周期成本限制了仿真覆蓋率的實(shí)現(xiàn)。因此，基于FSDB解析出關(guān)鍵的電源完整性分析向量時(shí)段很重要。本文基于Voltus^TM提供的解析工具，提出兩種不同于傳統(tǒng)FSDB向量解析的場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)更全面的電源完整性分析。

1 傳統(tǒng)FSDB向量解析及其局限性

    傳統(tǒng)FSDB向量解析出總功耗最差的時(shí)間段進(jìn)行電源完整性分析^[2]，不考慮單元物理位置因素。不均勻的單元翻轉(zhuǎn)和分布會(huì)產(chǎn)生局部IR-Drop熱點(diǎn)，傳統(tǒng)方案無法覆蓋最差的局部熱點(diǎn)。實(shí)際設(shè)計(jì)中，局部過高熱點(diǎn)的危害可能會(huì)更大，導(dǎo)致性能下降和信號(hào)完整性問題。高頻率的重要數(shù)據(jù)總線邏輯可能會(huì)產(chǎn)生局部的高功率密度區(qū)域。進(jìn)行動(dòng)態(tài)向量的PowerEM分析時(shí)，不均勻的大電流密度會(huì)產(chǎn)生更多的違例，基于最大總功耗的傳統(tǒng)FSDB向量解析方案無法對(duì)應(yīng)最多的PowerEM違例時(shí)段。

1.1 局部熱點(diǎn)場(chǎng)景特征

    復(fù)雜的設(shè)計(jì)中，存在高翻轉(zhuǎn)單元區(qū)域，傳輸高頻數(shù)據(jù)，產(chǎn)生局部IR-Drop熱點(diǎn)。如圖1所示，將設(shè)計(jì)分為A、B、C、D 4個(gè)物理分區(qū)，P₁是時(shí)間段1的總功耗，P₂是時(shí)間段2的總功耗 。P_1A、P_1B、P_1C、P_1D是時(shí)間段1中4個(gè)分區(qū)的相應(yīng)局部功耗。P_2A、P_2B、P_2C、P_2D是時(shí)間段2中4個(gè)分區(qū)的相應(yīng)局部功耗。功耗數(shù)值大小如下：

    基于傳統(tǒng)FSDB向量解析，時(shí)間段1有最差的總功耗，被選擇為解析結(jié)果用來進(jìn)行電源分析，時(shí)間段2會(huì)被忽略。完整的向量電源分析應(yīng)考慮總功耗和物理布局的相關(guān)性。在時(shí)間段2期間，D分區(qū)有最大的局部功耗，產(chǎn)生比時(shí)間段1更差的局部電源電壓降。局部功耗過大可能會(huì)導(dǎo)致局部電路失效，從而影響整個(gè)設(shè)計(jì)的性能，因此，在進(jìn)行電源完整性分析時(shí)，應(yīng)保證仿真分析覆蓋由于局部高翻轉(zhuǎn)高功耗引起的熱點(diǎn)^[3-4]。

1.2 PowerEM熱點(diǎn)場(chǎng)景特征

    兩個(gè)因素導(dǎo)致PowerEM違例：第一，不均勻的電源電阻網(wǎng)絡(luò)分布；第二，電源帶單元高功耗。如圖2所示，多個(gè)功耗高的單元聚集在同一個(gè)電源帶中，物理位置靠近左側(cè)物理電源節(jié)點(diǎn)，I₁和I₂是來自兩個(gè)物理電源節(jié)點(diǎn)的電流，R₁和R₂是基于電源網(wǎng)絡(luò)計(jì)算出的電源電阻，因此，當(dāng)R₁<R₂時(shí)，I₁>I₂，左側(cè)電流密度更大，容易發(fā)生PowerEM違例。

2 多場(chǎng)景FSDB向量解析方案和仿真

2.1 多場(chǎng)景FSDB向量解析方案

    基于第1節(jié)的分析結(jié)果，提出一種多場(chǎng)景FSDB解析方案，如圖3所示，參照表1對(duì)應(yīng)相關(guān)縮寫。 基于Voltus^TM提供的分物理網(wǎng)格進(jìn)行功率密度計(jì)算的解析功能，解析工具可以在每個(gè)時(shí)間段計(jì)算不同物理網(wǎng)格內(nèi)的功率密度，得出最差功率密度的物理網(wǎng)格區(qū)塊及相應(yīng)時(shí)間段^[1]。利用該功能，解析出基于用戶自定義的物理網(wǎng)格大小下最差的局部功率密度區(qū)域。Voltus^TM同樣支持解析單元功耗最差的時(shí)間段，得出每個(gè)單元最差的功耗和想要的時(shí)間段，用來幫助驗(yàn)證分析PowerEM違例場(chǎng)景。

2.2 局部熱點(diǎn)仿真分析

    基于FSDB解析出不同的時(shí)間段，T₁為TPW時(shí)間段，表征總功耗最差，T₂為L(zhǎng)PDW時(shí)間段，表征局部熱點(diǎn)。圖4為T₁的總功耗解析結(jié)果，圖5為T₂的總功耗解析結(jié)果，如圖所示，T₁的總功耗大于T₂。但是，基于提出一種多場(chǎng)景FSDB解析方案，參照表1對(duì)應(yīng)相關(guān)縮寫。基于物理網(wǎng)格功率密度計(jì)算，100×100的物理網(wǎng)格下，最差功率密度發(fā)生在T₂的{x₁ y₁ x₂ y₂}區(qū)域。基于T₁和T₂進(jìn)行仿真分析，得到{x₁ y₁ x₂ y₂}區(qū)域內(nèi)的所有單元的電源電壓降值。如圖6所示，局部熱點(diǎn)內(nèi)電源電壓降更差，表2為最差單元的電源電壓降對(duì)比。局部熱點(diǎn)的違例不能被全局熱點(diǎn)覆蓋。

2.3 單元熱點(diǎn)仿真分析

    基于Voltus^TM解析出每個(gè)單元最差功耗和時(shí)間段，按照時(shí)間段分組，得出最多最差單元的時(shí)間段。在Voltus^TM中讀取單元列表，觀測(cè)到有一組單元在時(shí)間段T₃內(nèi)聚集在同一塊電源網(wǎng)格區(qū)域{x₃ y₃ x₄ y₄}，如第1節(jié)分析，區(qū)域{x₃ y₃ x₄ y₄}是PowerEM危險(xiǎn)區(qū)。基于T₃進(jìn)行仿真分析，和T₁的仿真結(jié)果比較。如表3所示，單元熱點(diǎn)下，區(qū)域內(nèi)有更多的違例，圖7顯示總功耗T₁更差，但無法覆蓋局部PowerEM違例。

3 結(jié)論

    基于Voltus^TM物理網(wǎng)格功率密度計(jì)算和單元功耗計(jì)算的解析功能，提出一套多場(chǎng)景FSDB向量解析實(shí)現(xiàn)方案，得出局部熱點(diǎn)時(shí)間段和基于單元熱點(diǎn)解析出PowerEM熱點(diǎn)時(shí)間段，結(jié)合全局熱點(diǎn)時(shí)間段，進(jìn)行多重場(chǎng)景的電源仿真分析，提高電源完整性在局部熱點(diǎn)和PowerEM違例分析時(shí)的覆蓋率。

參考文獻(xiàn)

[1] Voltus IC power integrity solution user guide version 14.21[Z].2014.

[2] RABAEY J M，et al.Digital integrated circuits: a design perspective[M].2nd ed.Pearson，2003.

[3] LIN S，CHANG N.Challenges in power-ground integrity[C].International Conference on Computer Aided Design，2001：651-654.

[4] NITHIN S K，SHANMUGAM G，CHANDRASEKAR S.Dynamic voltage(IR) drop analysis and design closure：issues and challenges[C].2010 11th International Symposium on Quality Electronic Design(ISQED)，2010：611-617.

作者信息:

徐慧敏，朱薇薇，施建安

（英偉達(dá)半導(dǎo)體科技（上海）有限公司，上海201210）